Эти акулы не просто светятся синим цветом — они используют нанотехнологии, чтобы менять цвет под водой
Синие акулы сияют одним из самых редких цветов в природе, но их сияние не просто для красоты — оно создается микроскопическими кристаллами и пигментами, скрытыми в их коже.
Ученые обнаружили, что в зубоподобных чешуйках кожи акулы содержатся гуаниновые тромбоциты и меланиновые везикулы, которые вместе создают яркий синий оттенок. Более того, эти наноструктуры могут меняться в зависимости от условий окружающей среды, таких как давление воды, что потенциально позволяет акулам слегка менять цвет, когда они перемещаются по океану.
Тайна цвета под волнами
Новое исследование синей акулы (Prionace glauca) выявило сложную наноструктуру в ее коже, которая не только создает характерный синий оттенок акулы, но и может позволять ей слегка менять цвет.
«Синий — один из самых редких цветов в животном мире, и животные в процессе эволюции разработали множество уникальных стратегий для его получения, что делает эти процессы особенно увлекательными», — говорит доктор Виктория Камска, постдокторский исследователь в лаборатории профессора Мейсона Дина в Городском университете Гонконга.
Микроскопический источник синего цвета акулы
Исследователи обнаружили, что яркий синий цвет обусловлен структурами, расположенными внутри пульповых полостей дермальных зубчиков — крошечных чешуек, похожих на зубы, которые образуют защитный слой на коже акулы. Эти полости содержат кристаллы гуанина, которые отражают синий свет, и заполненные меланином везикулы, называемые меланосомами, которые поглощают другие длины волн.
«Эти компоненты упакованы в отдельные клетки, напоминающие мешки, наполненные зеркалами, и мешки с черными поглотителями, но они находятся в тесном взаимодействии, поэтому работают вместе», — объясняет доктор Камска. В результате пигмент (меланин) взаимодействует со структурированным материалом (тромбоцитами гуанина определенной толщины и расстояния между ними) для усиления насыщенности цвета.
Больше, чем просто красивые цвета
«Когда вы объединяете эти материалы, вы также создаете мощную способность производить и изменять цвет», — говорит профессор Дин. «Удивительно то, что мы можем наблюдать крошечные изменения в клетках, содержащих кристаллы, и видеть и моделировать, как они влияют на цвет всего организма».
Этот анатомический прорыв стал возможен благодаря использованию комбинации тонкой диссекции, оптической микроскопии, электронной микроскопии, спектроскопии и ряда других методов визуализации для характеристики формы, функции и архитектурной структуры наноструктур, производящих цвет. «Мы начали изучать цвет на уровне организма, в масштабе метров и сантиметров, но структурный цвет достигается в нанометровом масштабе, поэтому нам приходится использовать целый ряд различных подходов», — говорит профессор Дин.
Моделирование, раскрывающее секреты спектральной магии
Выявление вероятных наноразмерных виновников синего цвета акулы было лишь частью уравнения. Доктор Камска и ее коллеги также использовали компьютерные симуляции, чтобы подтвердить, какие архитектурные параметры этих наноструктур ответственны за производство определенных длин волн наблюдаемого спектрального вида. «Ручное манипулирование структурами в таком маленьком масштабе является сложной задачей, поэтому эти симуляции чрезвычайно полезны для понимания доступной цветовой палитры», — говорит доктор Камска.
Открытие также показывает, что характерный цвет акулы может изменяться за счет небольших изменений относительных расстояний между слоями кристаллов гуанина в полостях пульпы зубцов. В то время как более узкие промежутки между слоями создают знаковый синий цвет, увеличение этого пространства сдвигает цвет в сторону зеленого и золотого.
Окружающая среда как регулятор цвета
Д-р Камска и ее команда продемонстрировали, что этот структурный механизм изменения цвета может быть обусловлен факторами окружающей среды, которые влияют на расстояние между кристаллами гуанина. «Таким образом, очень мелкие изменения, вызванные такими простыми факторами, как влажность или изменение давления воды, могут изменить цвет тела, что в свою очередь влияет на способность животного маскироваться или приспосабливаться к окружающей среде», — говорит профессор Дин.
Например, чем глубже плавает акула, тем большему давлению подвергается ее кожа и тем плотнее, вероятно, сжимаются кристаллы гуанина, что должно привести к потемнению цвета акулы, чтобы она лучше вписывалась в окружающую среду. «Следующим шагом будет изучение того, как этот механизм действительно функционирует у акул, живущих в естественной среде», — говорит доктор Камска.
Прорыв в области биоинспирированного дизайна
Это исследование не только дает важные новые сведения об анатомии и эволюции акул, но и имеет большой потенциал для применения в биоинспирированной инженерии. «Эти зубчики не только обеспечивают акулам гидродинамические и противообрастающие преимущества, но, как мы теперь обнаружили, они также играют роль в производстве и, возможно, изменении цвета», — говорит профессор Дин. «Насколько нам известно, такой многофункциональный структурный дизайн — морская поверхность, сочетающая в себе характеристики высокоскоростной гидродинамики и камуфляжной оптики — ранее не встречался».
Таким образом, это открытие может иметь значение для улучшения экологической устойчивости в производственной промышленности. «Основное преимущество структурной окраски по сравнению с химической окраской заключается в том, что она снижает токсичность материалов и уменьшает загрязнение окружающей среды», — говорит доктор Камска. «Структурный цвет — это инструмент, который может быть очень полезен, особенно в морской среде, где динамическая синяя маскировка будет весьма кстати».
Акулы: отдельный эволюционный спектр
«По мере совершенствования инструментов нанопроизводства появляется возможность изучать, как структуры приводят к появлению новых функций», — говорит профессор Дин. «Мы много знаем о том, как другие рыбы создают цвета, но акулы и скаты отделились от костных рыб сотни миллионов лет назад, поэтому это представляет собой совершенно другой эволюционный путь создания цвета».
